本发明专利技术公开基于互补矩形环谐振器的基片集成波导双模微波传感器。本发明专利技术专利利用传统基片集成波导准带通滤波器的宽带特性，在通带内引入谐振模式以实现介电常数检测的目的；通过在基片集成波导的上表面刻蚀四个完全相同的矩形环谐振器，将形成双模特性，即Mode1和Mode2，谐振频率分别为3.02GHz和3.32GHz；其中Mode1的谐振电场主要束缚于中间的两个矩形环谐振器之间，Mode2的场强主要集中于外侧的两个谐振器内；利用双模谐振特性可同时实现介质块介电常数和厚度的检测目的。本发明专利技术提出的矩形环谐振器具有更强的电场束缚特点和高Q值特性，有利于提高检测的灵敏度，在介质材料的检测领域将发挥重要的作用。测领域将发挥重要的作用。测领域将发挥重要的作用。
【技术实现步骤摘要】
基于互补矩形环谐振器的基片集成波导双模微波传感器
[0001]本专利技术属于微波
，涉及一种微带线激励的传感器，特别涉及一种基于衬底集成波导(Substrate Integrated Waveguide
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SIW)的用于测量介质块材料的介电常数与厚度的小型化微波传感器。
技术介绍
[0002]介质材料在生物、医药、化学、军事和农业生产生活等领域有着广泛的应用空间和价值。精确的介质材料信息数据对人们从事相关的研究开发工作至关重要。因此如何提高介质材料的测量准确性已经成为当务之急，是目前学术界和工业界共同关注的焦点之一。
[0003]目前，学术界已经提出了很多测量介质材料的技术手段，其中基于电磁波的检测手段因为具有测量方便、易携带、体积小、质量轻、灵敏度高等特点越来越受到人们的青睐。基于电磁波的检测方案，主要在于谐振单元结构的改进，包括裂环谐振器(Split
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ring resonator,SRR)、互补裂环谐振器(Complementary split
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ring resonator,CSRR)、电LC(Electric
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LC,ELC)、磁LC(Magnetic
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LC,MLC)以及基于这些谐振单元的改进结构。基于SRR谐振单元的微波传感器最早于上世纪90年代被提出，利用谐振环开口处的容性效应来检测物质的介电常数，但是因为产生的电磁波与物质相互作用的强度比较微弱，所以该方案的测量精度并不具有很明显的优势。基于CSRR谐振单元的传感器相较于SRR，灵敏度有了一定程度的提升，在此基础上，通过引入曲流槽结构进一步束缚电场强度使电场在曲流槽结构处的场强达到较大值。曲流槽结构作为感应区，把待检测物质放入感应区，此时激励的电场与物质的相互作用比较强从而检测灵敏度有了较大的提升。为了进一步提高检测灵敏度，在介质基板的底部刻蚀MLC结构，此时会产生两个谐振模式，即奇模和偶模。通过电场分布仿真，可观察到奇模的场强主要聚集于MLC谐振单元的中间臂处，偶模的场强主要聚集于MLC的四周刻蚀槽处。因为奇模的场强比较强，所以一般采用奇模来进行介电常数的检测。在此基础上，通过在MLC结构的中间臂嵌入曲流槽结构可进一步提高检测分辨率。
[0004]但是上述检测方法均采用微带线激励谐振单元的方式，存在损耗大、Q值低的特点。本专利技术利用SIW结构的低损耗和高Q值特点，并在SIW的表面上刻蚀四个互补矩形环谐振结构。通过电磁全波仿真可发现，所提出的微波介质传感器有两个谐振模式，分别称为模式1(Mode1)和模式2(Mode2)。Mode1主要由中间的两个互补矩形环谐振结构的场强相互作用产生，Mode2主要由外边两个矩形环谐振单元产生。本专利技术的最大创新点是利用双模特性进行介质块的介电常数和厚度检测；其次提出采用多互补矩形环谐振结构进一步提高检测的灵敏度，以及利用SIW结构的低损耗和高Q值特性提高检测分辨率。
技术实现思路
[0005]本专利技术的第一个目的主要针对现有技术的不足，提出了一种结构紧凑、高灵敏度、高Q值、多功能的微波介质传感器。该传感器利用互补矩形环谐振结构来提高检测精度，并利用双模谐振来同时检测介质块的介电常数和厚度。
[0006]本专利技术按以下技术方案实现：
[0007]一种高灵敏度和双模特性的微波介质传感器，该微波传感器为双端口器件，一共分为三层结构，包括顶层(1)、中间层(10)和底层(11)；所述中间层(11)是一块介质基板；所述底层(12)是一块金属层；
[0008]其中，
[0009]所述顶层(1)结构为轴对称结构，包括输入馈线(2)、输出馈线(3)、输入渐变形微带线(4)、输出渐变形微带线(5)、中间腔体上表面(6)、上排金属过孔(7)、下排金属过孔(8)、四个矩形环谐振器(9)；所述中间腔体上表面(6)为一块金属层；
[0010]所述输入馈线(2)的输出端与输入渐变形微带线(4)的较窄端连接，渐变形微带线(4)的较宽端与中间腔体上表面(6)的左端相连，中间腔体上表面(6)的右端与输出渐变形微带线(5)的较宽端相连，输出渐变形微带线(5)的较窄端与输出馈线(3)相连；
[0011]所述中间腔体上表面(6)的上下端分别设有上排金属过孔(7)、下排金属过孔(8)；所述中间腔体上表面(6)的中心处刻蚀四个完全相同、纵向排列的矩形环谐振器(9)；四个矩形环谐振器(9)构成一个感应区间以检测物质的介电常数和厚度；
[0012]所述上排金属过孔(7)、下排金属过孔(8)均由一排周期性分布的多个过孔构成；
[0013]所述矩形环谐振器(9)包括外环、嵌套在外环内部的内环、以及连接内环与外环的槽缝；所述外环和内环均开有一个开口，且两个开口的朝向相同；
[0014]作为优选，所述中间腔体上表面(6)的长度小于所述中间层(10)的长度，宽度与所述中间层(10)的宽度相同；
[0015]作为优选，所述槽缝连接在外环开口和内环开口的对角端，以促使所述矩形环谐振器(9)的槽线形成螺旋形；
[0016]作为优选，四个矩形环谐振器(9)的中心所在直线与微波介质传感器的中轴线垂直设置；
[0017]作为优选，相邻两个矩形环谐振器(9)的间距均为1mm，此时模式1和模式2的谐振频率分别为3.04GHz和3.32GHz。通过仿真可发现，模式1和模式2的谐振频点随着间距的增大而增大，灵敏度则随着间距的增大而减小。原理在于增大的间距使相互耦合的电场和磁场变小，即等效电感和电容变小，所以谐振频点往高频处移动，并且因为谐振单元处的电场强度较小，导致较少的电磁波穿越待检测介质块。所以不利于器件尺寸的小型化和高灵敏度特性。为了使所设计的传感器具有较紧凑的结构以实现电小尺寸和保持更高的灵敏度，谐振单元之间的间距要在某一个较小的范围内，同时为了降低加工精度带来的误差，设置间距为1mm。
[0018]作为优选，四个矩形环谐振器(9)实现双模特性，即Mode1和Mode2，谐振频点分别为3.04GHz和3.32GHz；Mode1的谐振电场主要束缚于中间的两个矩形环谐振器(9)之间，Mode2的场强主要集中于外侧的两个谐振器(9)内；
[0019]本专利技术的另一个目的是提供利用上述传感器同时进行介电常数和介质块厚度的检测方法，具体步骤是：
[0020]1)打开矢量网络分析仪，并利用SOLT校准方法进行测量前的校准准备工作；
[0021]2)将矢量网络分析仪的两个同轴电缆与传感器的输入和输出端口紧密连接；
[0022]3)记录此时空载时，传感器的模式1和模式2的谐振频点，分别记为f
air_1
和f
air_2
；
[0023]4)把待测量的介质块紧密粘贴在感应区(即四个矩形环谐振器(9)所在位置)表面上，记录此时的谐振频点分别为f
MUT_1
和f
MUT_2
；
[0024]5)分别计算出模式本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于互补矩形环谐振器的基片集成波导双模微波传感器，该微波传感器为双端口器件，分为三层结构，包括顶层(1)、中间层(10)和底层(11)；所述中间层(11)是一块介质基板；所述底层(12)是一块金属层；其特征在于：所述顶层(1)结构为轴对称结构，包括输入馈线(2)、输出馈线(3)、输入渐变形微带线(4)、输出渐变形微带线(5)、中间腔体上表面(6)、上排金属过孔(7)、下排金属过孔(8)、四个矩形环谐振器(9)；所述中间腔体上表面(6)为一块金属层；所述输入馈线(2)的输出端与输入渐变形微带线(4)的较窄端连接，渐变形微带线(4)的较宽端与中间腔体上表面(6)的左端相连，中间腔体上表面(6)的右端与输出渐变形微带线(5)的较宽端相连，输出渐变形微带线(5)的较窄端与输出馈线(3)相连；所述中间腔体上表面(6)的上下端分别设有上排金属过孔(7)、下排金属过孔(8)；所述中间腔体上表面(6)的中心处刻蚀四个完全相同、纵向排列的矩形环谐振器(9)；所述上排金属过孔(7)、下排金属过孔(8)均由一排周期性分布的多个过孔构成；所述矩形环谐振器(9)包括外环、嵌套在外环内部的内环、以及连接内环与外环的槽缝；所述外环和内环均开有一个开口，且两个开口的朝向相同。2.根据权利要求1所述的基于互补矩形环谐振器的基片集成波导双模微波传感器，其特征在于，所述中间腔体上表面(6)的长度小于所述中间层(10)的长度，宽度与所述中间层(10)的宽度相同。3.根据权利要求1所述的基于互补矩形环谐振器的基片集成波导双模微波传感器，其特征在于，所述矩形环谐振器(9)的槽缝连接在外环开口和内环开口的对角端，以促使所述矩形环谐振器(9)的槽线形成螺旋形。4.根据权利要求1所述的基于互补矩形环谐振器的基片集成波导双模微波传感器，其特征在于，四个矩形环谐振器(9)的中心所在直线与微波介质传感器的中轴线垂直设置。5.根据权利要求1所述的基于互补矩形环谐振器的基片集成波导双模微波传感器，其特征在于，四个矩形环谐振器(9)实现双模特性，即Mode1和Mode2，谐振频点分别为3.04GHz和3.32GHz；Mode1的谐振电场主要束缚于中间的两个矩形环谐振器(9)之间，Mode2的场强主要集中于外侧的两个谐振器(9)内。6.根据权利要求5所述的基于互补矩形环谐振器的基片集成波导双模微波传感器，其特征在于，Mode1和Mode2的谐振频点随着间距的增大而增大，灵敏度则随着间距的增大而减小。7.根据权利要求5或6所述的基于互补矩形环谐振器的基片集成波导双模微波传感器，其特征在于，相邻两个矩形环谐振器(9)的间距均为1mm。8.利用权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：吴文敬，彭亮，
申请(专利权)人：浙大城市学院，
类型：发明
国别省市：
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